薩中油田抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置功能試驗和應(yīng)用界限研究

胥晉（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

薩中油田抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置功能試驗和應(yīng)用界限研究

胥晉（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

游粱式抽油機(jī)的負(fù)荷是一種以抽油機(jī)的沖程為周期性變化的負(fù)荷，啟動轉(zhuǎn)矩比較大，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時所需的轉(zhuǎn)矩又比較小，重載運(yùn)行時間很短，這樣抽油機(jī)配套的電動機(jī)平均負(fù)載不足30%。抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置可實(shí)現(xiàn)工頻、變頻之間任意切換。其中：傳感器負(fù)責(zé)傳輸曲柄旋轉(zhuǎn)過程中的位置信號，分辨出抽油機(jī)懸點(diǎn)位于上沖程或是下沖程，并將信號傳遞給控制面板；控制面板向變頻器傳達(dá)工作指令，測量電參數(shù)，分析判斷工況，根據(jù)需要供給電參數(shù)，從而達(dá)到節(jié)能目的。對該裝置的選井原則、適應(yīng)性等進(jìn)行了研究和現(xiàn)場應(yīng)用。現(xiàn)場應(yīng)用2585口井，實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)電率11.16%，取得較好效果。

抽油機(jī)；多功能調(diào)速；應(yīng)用界限研究

大慶薩中油田共有機(jī)械采油井10 647口，抽油機(jī)井8609口，占總井?dāng)?shù)的80.86%。抽油機(jī)作為機(jī)械采油井的主要舉升工藝設(shè)備，因其自身的重載啟動特性[1]，在設(shè)計匹配電動機(jī)容量時，需要增大電動機(jī)的裝機(jī)功率[2]，以滿足抽油機(jī)的啟動負(fù)載需求，從而保證抽油機(jī)的正常運(yùn)行。這種增加電動機(jī)裝機(jī)功率的方法，可以滿足電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩需求，但也增加了電動機(jī)的自身功率損耗，使電動機(jī)的運(yùn)行效率降低，造成了抽油機(jī)載荷過低的問題[3-4]。同時部分抽油機(jī)井在平衡塊勢能釋放的作用下，使電動機(jī)產(chǎn)生了負(fù)發(fā)電狀態(tài)，降低了電動機(jī)的功率因數(shù)。“十一五”以來，加大了節(jié)能配電箱技術(shù)的推廣規(guī)模，使抽油機(jī)拖動裝置在自身運(yùn)行特性上有所提高，電動機(jī)的自身損耗略有下降，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能效果。

1 多功能調(diào)速裝置功能試驗和應(yīng)用界限研究

抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置主要由傳感器、控制面板、變頻器、濾波器組成。設(shè)備共設(shè)有兩個控制回路，可實(shí)現(xiàn)工頻、變頻之間任意切換。其中：傳感器負(fù)責(zé)傳輸曲柄旋轉(zhuǎn)過程中的位置信號，分辨出抽油機(jī)懸點(diǎn)位于上沖程或是下沖程，并將信號傳遞給控制面板；控制面板向變頻器傳達(dá)工作指令，測量電參數(shù)，分析判斷工況，監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行，同時具備過載、欠載保護(hù)功能；變頻器接受控制面板工作指令，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、軟啟、軟停、電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整和無級調(diào)整沖速的功能；濾波器可有效減少對周邊其他電力設(shè)備的干擾及電網(wǎng)的沖擊[5]，有效控制諧波對電動機(jī)的影響。

由于多功能調(diào)速輸出頻率可在30～70 Hz變化，具有沖速無級調(diào)整功能，考慮沉沒度治理的需要，初步確定選井原則為：

◇沉沒度低于200 m，泵效低于40%;

◇沉沒度大于200 m，泵效低于40%且示功圖顯示供液不足。

根據(jù)上述原則進(jìn)行推廣，同時在推廣中，通過功能試驗和適應(yīng)性研究，驗證并完善選井原則。

1.1 軟啟動特性試驗

根據(jù)抽油機(jī)變負(fù)載的運(yùn)行特性，針對啟動困難、液面波動較大的井應(yīng)用抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置，并通過跟蹤測試應(yīng)用前后電動機(jī)工作電壓、電流和功率變化曲線，分析曲線變化規(guī)律，對比啟動電流和有功功率等電能參數(shù)，評價該裝置的軟啟動特性。

對標(biāo)準(zhǔn)井進(jìn)行了動液面200、300、400、500 m時的啟動及運(yùn)轉(zhuǎn)過程的電流、功率曲線的測試。在動液面200 m情況下（其他工況類似），對比標(biāo)準(zhǔn)井工頻與變頻的啟動電流（圖1）。由圖1可知，工頻啟動時的電流為正常運(yùn)行時的7～8倍，而變頻啟動時的電流小于正常運(yùn)行時電流值。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)井啟動電流對比

為驗證該裝置軟啟動特性，選取了20口生產(chǎn)井進(jìn)行了啟動過程和運(yùn)轉(zhuǎn)過程的電流和功率測試（表1）。

表120 口井軟啟動性能評價

從測試對比數(shù)據(jù)可知，啟動過程中，在工頻狀態(tài)下，啟動瞬間功率、電流同時達(dá)到峰值，而在變頻狀態(tài)下，電流及功率遠(yuǎn)小于正常狀態(tài)下的峰值、平均功率與電流，而且電流與功率是從0逐漸上升到運(yùn)轉(zhuǎn)過程的峰值。

以高146-斜43井為例，該井機(jī)型為CYJ10-3-37HB，下入φ57 mm泵生產(chǎn)，下泵深度945.67 m，電動機(jī)額定功率37 kW，沖程2.5 m。在工頻狀態(tài)下，沖速6.1 min-1，最大啟動電流332 A，最大啟動功率77.5 kW，完成啟動進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程。在變頻狀態(tài)下，上沖程頻率55 Hz，下沖程頻率45 Hz，沖速5.5 min-1，啟動電流由0 A緩慢上升至峰值的13 A后開始下降，啟動功率由0 kW緩慢上升至7 kW后開始下降，完成啟動過程，進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程（圖2）。

圖2 高146-斜43啟動與運(yùn)轉(zhuǎn)過程的電流、功率曲線

1.2 無級調(diào)速功能試驗

該裝置的變頻器以“交—直—交”轉(zhuǎn)換的方式，通過三相逆變電路來調(diào)整頻率，來達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)調(diào)整沖速的功能。該裝置的控制面板上帶有電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕，轉(zhuǎn)動旋鈕可以實(shí)現(xiàn)沖速的無級調(diào)節(jié)。綜合考慮電動機(jī)承受能力，普通Y系列電動機(jī)變頻調(diào)整范圍設(shè)定為工頻頻率的60%～120%之間，即可在30～60 Hz之間；高轉(zhuǎn)差系列及高啟動轉(zhuǎn)矩系列電動機(jī)變頻調(diào)整范圍設(shè)定為工頻頻率的60%～140%之間，即可在30～70 Hz之間，進(jìn)行無級調(diào)節(jié)[6]。實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速后，節(jié)省更換皮帶、皮帶輪費(fèi)用，降低工人勞動強(qiáng)度，提高了抽油機(jī)運(yùn)行時率。

為驗證裝置的無級調(diào)速功能，選擇供液不足抽油機(jī)井作為試驗對象。以中101-235井為例，該井沖程3.0 m，沖速6 min-1，通過頻率調(diào)整后，沖速為4.7 min-1，調(diào)整后沉沒度保持穩(wěn)定。試驗前后示功圖變化情況見圖3。

圖3 中101-235井試驗前后功圖變化情況

1.3 適應(yīng)性研究

綜合節(jié)電率與產(chǎn)液量關(guān)系評價：以測試資料的200口井為基礎(chǔ)，以產(chǎn)液量作為橫坐標(biāo)，綜合節(jié)電率作為縱坐標(biāo)制作了綜合節(jié)電率與產(chǎn)液量關(guān)系散點(diǎn)圖，并進(jìn)行了回歸（圖4）。

圖4 綜合節(jié)電率與產(chǎn)液量關(guān)系散點(diǎn)

由圖4可知，該裝置適用于產(chǎn)液量60 t/d及以下級別的抽油機(jī)井時均可取得綜合節(jié)電率11%節(jié)能效果。

綜合節(jié)電率與沉沒度關(guān)系評價:以有測試資料的200口井為基礎(chǔ)，以更換前沉沒度作為橫坐標(biāo)，綜合節(jié)電率作為縱坐標(biāo)制作了綜合節(jié)電率與沉沒度關(guān)系散點(diǎn)圖，并進(jìn)行了回歸（圖5）。

表2 多功能調(diào)速節(jié)能效果對比

圖5 綜合節(jié)電率與沉沒度關(guān)系散點(diǎn)

由圖5可知，當(dāng)沉沒度低于250 m時，可取得綜合節(jié)電率10%以上的效果。考慮到現(xiàn)場參數(shù)實(shí)際調(diào)整情況，建議將沉沒度控制在250 m以下。

綜上所述認(rèn)為：

1）抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置適用于任何產(chǎn)液量級別的機(jī)采井，當(dāng)沉沒度控制在250 m以下時，綜合節(jié)電率較高；因此，初步確定的選井原則是合理的。

2）根據(jù)其軟啟動特點(diǎn)，應(yīng)用多功能調(diào)速裝置可以實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速小功率啟動，可以降低裝機(jī)功率。為取得最好的節(jié)能效果，可考慮與節(jié)能電動機(jī)更換配套應(yīng)用。

3）考慮節(jié)能效果以及該技術(shù)具有的無級調(diào)速功能，建議該技術(shù)盡可能應(yīng)用于供液不足低產(chǎn)井。

2 多功能調(diào)速裝置應(yīng)用效果

自2013年至2015年，全廠共計更換多功能調(diào)速裝置2585口井，測試對比200口井，平均有功節(jié)電率8.03%，無功節(jié)電率58.39%，綜合節(jié)電率11.16%，系統(tǒng)效率提升3.80個百分點(diǎn)，上升了12.82%。由于措施前后產(chǎn)液量、沖速發(fā)生變化，節(jié)電率按百米噸液耗電折算，平均單井折算日節(jié)電40.8 kWh（表2）。

年有效生產(chǎn)天數(shù)為360 d，電價按0.6381元/kWh計算，年節(jié)電3 796.8×104kWh，年節(jié)省電費(fèi)2 593.6萬元。

3 結(jié)論

1）抽油機(jī)多功能調(diào)速裝置適用于任何產(chǎn)液量級別的機(jī)采井。軟啟動功能可有效降低啟動功率及電流，實(shí)現(xiàn)沖速無級調(diào)節(jié)功能，能夠使參數(shù)無法下調(diào)井實(shí)現(xiàn)供采平衡。

2）產(chǎn)液量60 t/d及以下級別的抽油機(jī)井的有功節(jié)電率達(dá)8.03%，無功節(jié)電率為58.39%，綜合節(jié)電率11.16%，系統(tǒng)效率提升3.80個百分點(diǎn)，上升了12.82%。

[1]劉玉章，鄭俊德.采油工程技術(shù)進(jìn)展[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006：56-58.

[2]張波，賀琦.永磁電動機(jī)在安塞油田抽油機(jī)上的應(yīng)用與節(jié)能分析[J].石油石化節(jié)能，2014，4（10）：25-27.

[3]劉玉坤.抽油機(jī)井節(jié)能方法探討[J].石油石化節(jié)能，2014，4（7）：10-11.

[4]宋楊，張德實(shí).三次采油提高采收率過程中機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能途徑分析[J].石油石化節(jié)能，2014，4（11）：1-3.

[5]Theodor Wildi.電動機(jī)、拖動及電力系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：388-390.

[6]馬強(qiáng)，金春玲，佟松林.油田變頻調(diào)速裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)的確定[J].石油石化節(jié)能，2015，5（1）：31-32.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.02.005

2016-09-28

（編輯 王 艷）

胥晉，2012年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院(機(jī)械設(shè)計制造及自動化專業(yè))，從事油田采油工程技術(shù)管理工作，E-mail：jinxu_a@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠第三采油隊，163000。